CN113080888A - 柔性阵列化人机协同脉诊仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种柔性阵列化人机协同脉诊仪，包括脉诊传感器、信号采集电路和显示界面；其中，待测压力信号由所述脉诊传感器感受并转换为电信号，所述电信号由所述信号采集电路进行采集并进行模数转换后输入计算机，通过上位机软件中的所述显示界面进行压力检测结果显示。本发明的人机协同脉诊仪最大程度的模拟医生诊脉过程，根据施力者的意图用手在寸、关、尺三点指施加不同的静态压力幅值，同时可以测得整个脉搏区域的静态压强分布，从而克服了传统脉诊仪均匀施压及空间分辨率不足的问题。同时，施力者可以通过手指隔着脉诊仪感觉到被测者的脉动信息，即被测者的脉动信息可以被施力者和传感器同时获取。
Description
技术领域
本发明涉及脉搏波测量技术领域，尤其涉及一种柔性阵列化人机协同脉诊仪。
背景技术
中医作为世界医学的一个重要组成部分，在2019新冠肺炎的治疗过程中起到了非常重要的作用。在中医中，检查、聆听、询问和触诊构成基本的诊断方法。触诊，也就是脉诊，是必不可少的一部分。如图1所示，在脉诊中医生通常将手指按在手腕上的三个特定穴位(寸、关、尺)上，以感受桡动脉引起的波动特征，从深度、速度、节奏、强度等方面对脉象进行分析，实现诊断疾病的目的。在西医理论当中，脉搏信号来源于动脉的压力反射，通常具有三个清晰可分辨的峰值的波形，脉搏波的频率、节律、波速和体积也反映了心血管的状态。因此不论是中医还是西医，脉搏波的测量分析都是诊断人体生理特征非常重要的一个因素，并且取得了非常大的医用价值。
但传统的诊脉技能需要长时间的训练和丰富的经验，效果通常取决于医生的主观性，这就严格限制了中医的发展和应用。为了解决这一问题，人们提出并研究各种脉搏采集分析方法，以确保其客观性。现在常见的脉搏波采集方法有压阻法、压电法、光电法、图像处理法等。目前，最常见的用于获取脉搏信号的传感器是利用光电容积脉搏波描记法(PPG)原理制作而成，但是该方法容易受到外界光源以及人体运动的影响，不能够满足中医诊脉的要求。与中医诊脉理念最相近的是使用压力传感器感知脉搏的机械跳动信息进行脉搏信号的采集。但是由于脉搏跳动大多数在皮肤深处，想要实现脉搏采集一般需要施加较大压力(≈10kPa)，大多数报告的传感器无法在如此高的压力值下保持高灵敏度，另外如果对将整个手腕包裹施加压力，可能导致静脉中的血液回流，无法反应正常状态下的压力。因此很多脉诊仪都是直接在三个特定穴位施加压力，但是该方法施加的压力是均匀恒定的，这与脉诊时医生用三指指尖对“寸、关、尺”穴位施加不同的压力，以感受受压区域的波动是不同的，因此开发一款能够实现不同穴位进行独立施加不同压力的脉诊设备非常重要。
虽然很多人对中医诊脉的客观化进行了大量的研究，进行大量的数据分析，并且取得了一定的成果，实现了肺癌的预测与诊断，但是到目前为止仍然没有一套令人信服的中医诊脉标准。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种柔性阵列化人机协同脉诊仪，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种柔性阵列化人机协同脉诊仪，包括脉诊传感器、信号采集电路和显示界面；其中，
待测压力信号由所述脉诊传感器感受并转换为电信号，所述电信号由所述信号采集电路进行采集并进行模数转换后输入计算机，通过上位机软件中的所述显示界面进行压力检测结果显示。
其中，所述脉诊传感器包括柔性基底层、下引线和下电极、压力敏感层、上引线和上电极和柔性覆盖层，所述压力敏感层包括多个敏感单元，通过柔性填充物填入敏感单元之间。
其中，所述柔性基底层和所述柔性覆盖层将脉诊传感器分为三个区域，所述三个区域分别对应于脉诊的寸、关、尺三个区域；
所述柔性填充物用于隔离各敏感单元之间的干扰，所述柔性填充物的材料选择与柔性敏感膜一致，但不加入导电颗粒的物质。
其中，所述柔性阵列化人机协同脉诊仪具有多层聚合物纳米结构的超薄特性。
其中，所述脉诊传感器还包括导联线，所述导联线用于连接各个通道传感器的上下电极和基底末端的连接头。
其中，所述脉诊传感器为压阻式脉搏敏感薄膜或电容式脉搏敏感薄膜。
其中，所述压阻式脉搏敏感薄膜的制备流程如下：
通过半导体工艺在基底上沉积并图形化一层下电极板，采用纳米银金颗粒、CNT、Polyaniline、PEDOT:PSS材料有选择的按比例混合入橡胶类材料中，合成压力敏感薄膜；
采用直接在柔性衬底上旋涂制备或者采用先在硬性衬底制备敏感膜后把敏感膜转移至柔性膜的方式实现敏感薄膜的图形化；
沉积并图形化一层上电极板，将上电极板接入导联线实现电学连接。
其中，所述电容式脉搏敏感薄膜的制备流程如下：
采用绝缘的高弹性介电材料作为压力敏感材料；
采用直接在柔性衬底上旋涂制备或者采用先在硬性衬底制备敏感膜后把敏感膜转移至柔性膜的方式实现敏感薄膜的图形化；
沉积并图形化一层上电极板，将上电极板接入导联线实现电学连接。
其中，所述信号采集电路包括电源管理模块、多路扫描电路模块、模数转换模块和微处理器控制模块，其中，所述电源管理模块为所述多路扫描电路模块、所述模数转换模块和所述微处理器控制模块提供工作所需电源；所述多路扫描电路模块采用行列扫描的模式获取传感信息，随后利用电路的深度负反馈和与标准电阻比较的方式实现了单个压阻单元的精准测量；所述模数转换模块用于实现从模拟信号到数字信号的转换；所述微处理器控制模块用于控制所述多路扫描电路模块以及所述模数转化模块。
其中，所述显示界面是通过上位机编程构建的数据接收界面。
基于上述技术方案可知，本发明的柔性阵列化人机协同脉诊仪相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
1.最大程度的模拟医生诊脉过程，根据施力者的意图用手在寸、关、尺三点指施加不同的静态压力幅值，同时可以测得整个脉搏区域的静态压强分布，从而克服了传统脉诊仪均匀施压及空间分辨率不足的问题。同时，施力者可以通过手指隔着脉诊仪感觉到被测者的脉动信息，即被测者的脉动信息可以被施力者和传感器同时获取。
2.该柔性脉诊传感器弹性模量接近于皮肤，并且厚度小于200微米，由此，在传感器输出多通路脉搏信息的同时，由于传感器具有超薄结构，施力人可以明显感觉脉搏信息。传感器对医生脉诊触感影响非常微弱。
3.脉诊仪信息结合医生诊断信息，同步记录脉象特征，结合后期的模式识别、深度学习等大数据分析实现各种脉象的区分，推进中医诊脉客观化的发展，以及有助于建立名中医培训中青年中医的一套完整的脉诊教学体系。
4.该传感器具有高空间分辨率、高灵敏度，及稳定性，可以对志愿者在不同身体情况下(如运动、静止等)的脉象进行分析，根据志愿者的脉率、脉搏波幅度以及形状，结合医生的触感和病人的身体在不同状态下的感受分析出志愿者的身体状态，这将使中医诊脉自动化以及客观化成为可能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的超薄柔性人机协同脉诊仪结构示意图；
图2是本发明实施例提供的柔性脉诊传感器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一个脉诊单元的压力-电阻标定曲线；
图4是本发明实施例提供的数据采集系统流程示意图；
图5是本发明实施例提供的Labview上位机程序接收多路脉诊信号的程序界面；
图6是本发明实施例提供的不同道通以及同一通道不同位置在3sec内的脉搏波波形；
图7是本发明实施例提供的直接测量和间接测量下的脉搏波测试结果；
图8是本发明实施例提供的被测者运动前和运动后的脉搏波变化情况。
具体实施方式
模仿中医诊脉的真实过程，本发明提出利用压阻材料基于压阻传感原理或者基于柔性电解质材料制作不少于27个感知力学触点的人机协同脉诊仪。所谓人机协同脉诊仪，即施力者(通常是医生)的手指压力作为脉诊仪的静态压力输入，按压放置于被测者脉处的传感器，随后，被测者的脉动信息可以被施力者和传感器同时获取。
本发明公开了一种超薄柔性多传感阵列的脉诊仪。脉诊仪由至少27通道脉搏传感器组成，分为三个区域，可以独立测量寸、关、尺三个区域的脉诊信息。脉诊仪可以对所有通道的脉搏信息独立分析和综合分析，以及对施力者在脉诊仪上的用力分布进行独立的测量与分析。其整体厚度不超过200μm，置于被测者的脉搏位置，由于其超薄及柔软的特性，该脉诊仪不会影响到施力人对被测者脉搏的感知，被测者的脉动信息可以被施力者和传感器同时获取。因此脉诊仪信息结合医生诊断信息，同步记录脉象特征，结合后期的模式识别、深度学习等大数据分析实现各种脉象的区分，推进中医诊脉客观化。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，为超薄柔性人机协同脉诊仪结构示意图；该柔性人机协同脉诊仪包括脉诊传感器、信号采集电路和显示界面；其中，待测压力信号由所述脉诊传感器感受并转换为电信号，所述电信号由所述信号采集电路进行采集并进行模数转换后输入计算机，通过上位机软件中的所述显示界面进行压力检测结果显示。
如图2所示，为柔性脉诊传感器的结构示意图；柔性传感器的结构由下到上分为柔性基底层-下引线和下电极层-压力敏感层-上引线和上电极层-覆盖层，在各个敏感单元之间通过柔性填充层填入敏感单元之间，
其中，柔性基底材料选择与皮肤弹性模量接近的高分子材料，如PMMA、polyimide、PDMS、parylene、SEBS、Ecoflex以及其它橡胶或树脂材料等生物兼容性较高材料，通过选择不同组分的配比，达到材料弹性模量与皮肤组织匹配，使之与皮肤共性。柔性基底包括下柔性基底和上柔性覆盖层，可以选择两者一致的材料，或者上述任意两种材料的组合进行搭配。上下柔性层把整个传感器分成了左、中、右三个区域(如图1脉诊传感器部分所示)，这三个区域分别对应于脉诊的寸、关、尺三个区域。传感器的三个区域通过较细的柔性线条相连，线条可以是直线型、弧形或者蛇形，细线条连接三个区域，使三个区域的相对位置可以微调，以此说明，该脉诊传感器适用于不同体型的受试者。医生可根据受试者寸、关、尺三区域的实际位置调整传感器三个区域的相对位置。传感器的整理尺寸不大于5cm×2cm。
对于基底材料，可以采用半导体工艺，如PECVD、蒸发、溅射、ALD等薄膜沉积工艺，或者采用液态合成固化的方式进行制作。对于其中的细条连线，可采用激光切割、阴影掩模等离子体刻蚀、掩膜化学湿法腐蚀或者采用模具浇铸的方式整体制作而成。
柔性基底制作完毕后，在基底上方制作导联线，用于连接个通道传感器的上下电极和基底末端的连接头，其形态可以为蛇形、弧形、以及任形状的弯曲图形，目的是在基底拉伸或压缩形态下保持导联线的电学稳定性，导联线材料通常选用柔韧性较好、生物兼容性较高的材料，如Ag、Au、Mg、Mo、carbon nanotube、polyaniline、PEDOT:PSS，carbon black等固态金属材料、纳米复合物导电材料、液态导电金属。其中的导电液体材料可以与液态状态下的聚合物如PDMS、PMMA、SEBS等液态混合，固化后形成导联线，导联线的制作方式可以为以下几种：1.利用溅射或蒸发装置沉积薄层固态金属薄膜，然后通过光刻图形化金属线图案，并腐蚀出金属线或者金属薄膜剥离的方式形成金属线。2.采用阴影掩模下金属沉积的工艺制作出金属线。3.采用阴影掩模下导电液体沉积的工艺制作出金属线。4.采用丝网印刷方式的工艺制作出金属线。5.采用移液方式对导联线轨迹进行点胶操作完成金属线制作。
传感器的制作：
(1)压阻式脉搏敏感薄膜
通过半导体工艺在基底上沉积并图形化一层下电极板，采用纳米银金等颗粒、CNT、Polyaniline、PEDOT:PSS等材料有选择的按比例混合入PDMS，SEBS等橡胶类材料中，合成压力敏感薄膜。另外，压力敏感薄膜还可以做成不同的表面形态与形状，如菱形、倒金字塔形、高粗糙度表面等调节施加的静态力的敏感区间和脉搏力所需的力学分辨率。敏感膜的图形化可以是采用直接在柔性衬底上旋涂制备或者采用先在硬性衬底制备敏感膜后把敏感膜转移至柔性膜的方式。二选一即可。最后沉积并图形化一层上电极板，将上电极板接入导联线实现电学连接。
(2)电容式脉搏敏感薄膜
对于电容式传感器，其敏感薄膜的电容值受压力变化而变化，可以采用绝缘的高弹性介电材料，如PDMS，SEBS，PMMA等作为压力敏感材料。另外，压力敏感薄膜还可以做成不同的表面形态与形状，如菱形、倒金字塔形、高粗糙度表面等调节施加的静态力的敏感区间和脉搏力所需的力学分辨率。敏感膜的图形化可以是采用直接在柔性衬底上旋涂制备或者采用先在硬性衬底制备敏感膜后把敏感膜转移至柔性膜的方式。二选一即可。最后沉积并图形化一层上电极板，将上电极板接入导联线实现电学连接。
每个脉诊传感单元的直线需要柔性填充物补充以隔离各传感元之间的干扰。柔性填充物选择与柔性敏感膜类似，但不加入导电颗粒的物质，如PDMS，SEBS，PMMA等。其填充物的表面形态(如菱形、倒金字塔形、高粗糙度表面等)需要与传感单元一致，来保证压力在传感器上的一致性。
下面通过一具体实施例来对本发明的技术方案进行阐述及验证。
本发明提出了27通道的，利用polyimide作为基底，Au作为导联线和上下板电极，碳纳米管和PDMS的混合物作为压力敏感层，PDMS作为柔性填充物的压阻式脉诊仪传感器。
如图3所示，为一个脉诊单元的压力-电阻标定曲线，根据曲线可以看出，该压阻传感器在20kPa以内具有较高的灵敏度非常高，满足脉搏波测量的基本要求。
如图4所示，为数据采集系统流程示意图；多通道人机协同脉诊仪是由电源管理模块、多路扫描电路模块、模数转换模块，微处理器控制模块组成。微处理器控制系统是电路的核心，控制整个扫描电路以及以模数转化模块。由于脉诊单元的通道数较多，不少于27通道，本发明采用行列扫描的模式获取传感信息，其所需的接口数据线数从N M个降低到N+M个，其中N和M为传感单元的行数和列数。随后利用电路的深度负反馈和与标准电阻比较的方式实现了单个压阻单元的精准测量。模数转换模块实现了从模拟信号到数字信号的转换。微处理中多路脉诊信息经过在线滤波，最终通过串口数据或者蓝牙天线传输到上位机。电路板固定装置是借鉴护腕制作而成，通过尼龙搭扣将电路板绑在前臂上，并且可以通过调整护腕长度，调节固定位置以及松紧程度，在固定脉诊仪的同时尽可能避免上端包扎对于脉搏测量的影响。
本发明提出利用串口数据传输建立起采集电路和上位机的通讯联络，另外又提出了利用无线通讯模块，如蓝牙、VHF、UHF，建立2-20m的无线通讯距离。在上位机中，利用C#，C++，Phython，Matlab，Labview等高级语言，编程构建上位机数据接收界面。本发明以Labview编程作为实例，进行介绍。
如图5所示，为Labview上位机程序接收多路脉诊信号；在界面中电极“Start(开始)”按键建立与采集电路的数据联系，并开始采集数据。在下方显示框中，可以实时显示多通道的脉搏信息和施力者的静态压力信息。每个通道可以选择打开和关闭显示，另外还需要进一步的滤波功能使图形更加平滑可读性更强。按下“STOP”按键，脉诊信息停止采集，生成原始数据，可进行进一步处理。
在上位机采集出多通道的脉诊信息综合信息(包括病人的脉诊信息和施力者的静态压力信息)，本发明以27通道压阻传感制备的脉诊仪作为实例演示了其工作过程和创新。
如图6所示，为不同道通以及同一通道不同位置在3sec内的脉搏波波形(经过了低通滤波信号处理)；具体展示了不同通道(Cun和Guan-1)以及同一通道不同时刻(Guan-1和Guan-2)检测到的脉搏波形.通过对比发现这些波形有相似的地方也有不同的地方，完全可以检测到脉搏波的主波以及重博波。但是由于在诊脉过程中施力者要用不同的压力按压手腕部位，所以测到波形也存在差异，如Guan-1和Guan-2通道之间存在差异。另外不同通道测量的波形存在差异(Cun和Guan-1)，这从侧面证明了手腕寸、关、尺的部位的脉搏波是存在差异的。因此我们可以通过医生手指压力变化以及同一时刻下的寸，关，尺三个位置脉搏波变化，结合医生的诊断进行模式识别。
柔性人机协同脉诊仪的一大优势是在实时传感记录脉搏波信号的同时，不影响医生的脉搏感知，因此脉诊仪做的足够柔软和薄，使得医生能够隔着脉诊仪还能精确感受到脉搏的跳动。柔性人机协同脉诊仪具有多层聚合物纳米结构的超薄特性，可以在实时传感记录脉搏波信号的同时，不影响医生的脉搏感知，使得医生能够隔着脉诊仪还能精确感受到脉搏的跳动。
为了验证此设想，本发明制作了另一个同样结构的脉搏波检测设备，对同一个人进行了两次脉搏波测量。第一次中，把新制作的脉诊仪粘粘在施力者的手指上，将另一个传感器放置于受试者(患者)的寸、关、尺的位置，实现结果显示粘粘在施力者手上的脉诊仪传感器可以隔着另一个传感器清晰的监测出脉搏波(Indirect Measurement)；第二次测量直接用新制作的脉诊仪传感器贴于患者皮肤测量脉搏波(Direct Measurement)，并把两组数据做了对比，其结果如图7所示
经过脉诊仪隔离之后测得的脉搏波(Indirect Measurement)，与直接接触皮肤测量的脉搏波(Direct Measurement)存在明显的相似性，间接测量的脉搏波的幅度有所降低(大约为6mV)，但是并不会影响医生诊断，这个与预测结果相符合，实现了医生诊脉与信号检测同时进行的目标。
如图8所示，为被测者运动前和后的脉搏波变化情况；图8具体展示了柔性人机协同脉诊仪分别对被测者在静止状态以及运动后状态检测的脉搏波波形。通过测试我们发现被测者的脉搏跳动次数发生了明显变化，并且其脉搏跳动幅值运动后发生了变化幅值变化最大可以达到30mV以上，以上测试清晰的反应了同一个人的脉搏波在不同生理状态下的变化，由此可见，该传感器可以根据同一个人不同时期的脉搏波变化进行人体生理状态的分析，进行人体的疾病诊断，从客观上证明了通过该脉诊仪进行诊断的可行性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性阵列化人机协同脉诊仪，其特征在于，包括脉诊传感器、信号采集电路和显示界面；其中，
待测压力信号由所述脉诊传感器感受并转换为电信号，所述电信号由所述信号采集电路进行采集并进行模数转换后输入计算机，通过上位机软件中的所述显示界面进行压力检测结果显示。
2.根据权利要求1所述的柔性阵列化人机协同脉诊仪，其特征在于，所述脉诊传感器包括柔性基底层、下引线和下电极、压力敏感层、上引线和上电极和柔性覆盖层，所述压力敏感层包括多个敏感单元，通过柔性填充物填入敏感单元之间。
3.根据权利要求2所述的柔性阵列化人机协同脉诊仪，其特征在于，所述柔性基底层和所述柔性覆盖层将脉诊传感器分为三个区域，所述三个区域分别对应于脉诊的寸、关、尺三个区域；
所述柔性填充物用于隔离各敏感单元之间的干扰，所述柔性填充物的材料选择与柔性敏感膜一致，但不加入导电颗粒的物质。
4.根据权利要求1所述的柔性阵列化人机协同脉诊仪，其特征在于，所述柔性阵列化人机协同脉诊仪具有多层聚合物纳米结构的超薄特性。
5.根据权利要求1所述的柔性阵列化人机协同脉诊仪，其特征在于，所述脉诊传感器还包括导联线，所述导联线用于连接各个通道传感器的上下电极和基底末端的连接头。
6.根据权利要求1所述的柔性阵列化人机协同脉诊仪，其特征在于，所述脉诊传感器为压阻式脉搏敏感薄膜或电容式脉搏敏感薄膜。
7.根据权利要求6所述的柔性阵列化人机协同脉诊仪，其特征在于，所述压阻式脉搏敏感薄膜的制备流程如下：
通过半导体工艺在基底上沉积并图形化一层下电极板，采用纳米银金颗粒、CNT、Polyaniline、PEDOT：PSS材料有选择的按比例混合入橡胶类材料中，合成压力敏感薄膜；
采用直接在柔性衬底上旋涂制备或者采用先在硬性衬底制备敏感膜后把敏感膜转移至柔性膜的方式实现敏感薄膜的图形化；
沉积并图形化一层上电极板，将上电极板接入导联线实现电学连接。
8.根据权利要求6所述的柔性阵列化人机协同脉诊仪，其特征在于，所述电容式脉搏敏感薄膜的制备流程如下：
采用绝缘的高弹性介电材料作为压力敏感材料；
采用直接在柔性衬底上旋涂制备或者采用先在硬性衬底制备敏感膜后把敏感膜转移至柔性膜的方式实现敏感薄膜的图形化；
沉积并图形化一层上电极板，将上电极板接入导联线实现电学连接。
9.根据权利要求1所述的柔性阵列化人机协同脉诊仪，其特征在于，所述信号采集电路包括电源管理模块、多路扫描电路模块、模数转换模块和微处理器控制模块，其中，所述电源管理模块为所述多路扫描电路模块、所述模数转换模块和所述微处理器控制模块提供工作所需电源；所述多路扫描电路模块采用行列扫描的模式获取传感信息，随后利用电路的深度负反馈和与标准电阻比较的方式实现了单个压阻单元的精准测量；所述模数转换模块用于实现从模拟信号到数字信号的转换；所述微处理器控制模块用于控制所述多路扫描电路模块以及所述模数转化模块。
10.根据权利要求1所述的柔性阵列化人机协同脉诊仪，其特征在于，所述显示界面是通过上位机编程构建的数据接收界面。
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- 2021-04-08 CN CN202110379978.3A patent/CN113080888A/zh active Pending
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